Solare Wärmepumpe mit Eisspeicher

05.03.2009 | Veröffentlicht in Ausgabe 03-2009 | Druckvorschau

Bild 1 Querschnitt durch den Hybridkollektor, der auf zwei verschiedene Arten (Sonne und Luft) Wärme nutzen kann: Bei Sonnenschein wird die Solarstrahlung genutzt, ansonsten die Wärme der Umgebungsluft. Dabei wird die Luft mithilfe eines Ventilators durch einen zweiten Wärmeübertrager im Kollektor geführt und die Temperatur im Solekreislauf angehoben. - © Consolar — © Consolar

Bild 1 Querschnitt durch den Hybridkollektor, der auf zwei verschiedene Arten (Sonne und Luft) Wärme nutzen kann: Bei Sonnenschein wird die Solarstrahlung genutzt, ansonsten die Wärme der Umgebungsluft. Dabei wird die Luft mithilfe eines Ventilators durch einen zweiten Wärmeübertrager im Kollektor geführt und die Temperatur im Solekreislauf angehoben.

Unter dem Namen Therma exklusiv hat Westfa ein Heizsystem entwickelt, das bis zu 85 % des Heiz-Energiebedarfs aus regenerativen Energiequellen deckt. Dabei reduziert die neuartige Verbindung von Solarkollektoren, Wärmepumpe und zwei Speichern den Primärenergiebedarf um bis zu 60 %, wie Ergebnisse aus der Testphase zeigen. Die Markteinführung ist für Juni 2009 geplant.

Lange Zeit war die Verknüpfung von solarthermischen Anlagen und Wärmepumpen in einem System aufgrund der unterschiedlichen Arbeitsweisen wenig attraktiv. Bei einer konventionellen Ausführung würde über die Solaranlage die Rücklauftemperatur angehoben, was die Arbeitszahl der Wärmepumpe verschlechtert. Und eine umgekehrte Verbindung würde die Temperaturschichtung im Solarspeicher zunichte machen. Mit einer neuen Art der Verschaltung, einem speziell für diesen Einsatz entwickelten Hybridkollektor und einem äußerst effektiv arbeitenden Eis-Latentwärmespeicher ist es nun gelungen, die beiden scheinbar konträren Technologien erfolgreich miteinander zu verbinden.

Zwei Energiequellen anzapfen

Die verwendeten Hybridkollektoren unterscheiden sich in ihrem Aufbau von herkömmlichen Flachkollektoren durch einen zusätzlichen Luftwärmeübertrager und einen integrierten Ventilator. Dazu werden Axiallüfter mit einer maximalen Leistungsaufnahme von 26 W (230 V / 50 Hz) eingesetzt. Über eine Impulsansteuerung lässt sich die Drehzahl von 30 bis 100 % regeln, wobei die Nenndrehzahl ca. 2800 min^-1 beträgt. Die Mindestdrehzahl wird durch den benötigten Mindestluftvolumenstrom begrenzt.

Die Hybridkollektoren können somit neben der direkten Sonneneinstrahlung auch die in der Umgebungsluft enthaltene Wärmeenergie nutzen. Je nach Temperaturniveau arbeitet der Hybridkollektor wie ein herkömmlicher Flachkollektor und legt die gewonnene Solarenergie im Kombi-Pufferspeicher oder im Eis-Latentwärmespeicher ab. Ist die Sonneneinstrahlung zu gering, wird nur die Wärme der Umgebungsluft genutzt. Dabei gibt der Kollektor die Wärmeenergie der Umgebungsluft durch den Luftwärmeübertrager an die Solarflüssigkeit ab.

Die so gewonnene Temperaturanhebung wird dann zur quellenseitigen Versorgung der Wärmepumpe oder zur Beladung des Eis-Latentwärmespeichers verwendet. Mit der Möglichkeit, neben Sonnenwärme auch die Energie der Umgebungsluft sowohl bei Bewölkung als auch nachts nutzen zu können, unterscheidet sich das Therma exklusiv-System von allen anderen herkömmlichen thermischen Solaranlagen.

Für eine bestmögliche Leistung sollten die Kollektoren nach Süden ausgerichtet und in einem Winkel von mindestens 60° montiert werden. Dieser Winkel und eine erhöhte Positionierung sorgen im Winter dafür, dass die Zu- und Abluftöffnungen nicht durch abgerutschten Schnee blockiert werden.

Wärme in Eis speichern

Wärmepumpen nutzen die Umweltwärme im niedrigen Temperaturbereich verschiedener Quellen. Im Therma-exklusiv-System wird diese Umweltwärme verlustfrei – weil der Aufstellort wärmer ist – im Eis-Latentwärmespeicher gepuffert. Insbesondere bei der Änderung des Aggregatszustands von Wassers wird eine große Wärmemenge auf kleinem Raum gespeichert: Zum Einfrieren bzw. Auftauen von Wassereis ist die Wärmemenge achtmal so hoch wie bei einem herkömmlichen Wasserspeicher und einer Temperaturveränderung um 10 K, was dem typischen für eine Wärmepumpe nutzbaren Bereich entspricht. Der Eis-Latentwärmespeicher mit einem Volumen von ca. 320 l entspricht dadurch einem herkömmlichen Speicher mit ca. 2500 l Speichervolumen.

Die eingesetzte Wärmepumpe, die zusammen mit dem Eis-Latentwärmespeicher und der Systemregelung in einem kompakten Energiezentrum (BHT: 79,5 × 200 × 84 cm) untergebracht ist, arbeitet wie eine herkömmliche Sole-Wasser-Wärmepumpe. Sie besitzt eine Leistungsaufnahme von 1,56 kW bei einem COP von 4,4 (B0/W35), das entspricht einer Wärmeleistung von 6,9 kW. Als Wärmequelle dient ihr der Eis-Latentwärmespeicher.

Der Kombi-Pufferspeicher speichert alle von den Hybridkollektoren, der Wärmepumpe sowie einem optionalen Biomasseofen bereitgestellte Energie und stellt sie bei Bedarf dem Heizkreis der Trinkwassererwärmung zur Verfügung. Bei ausreichender direkter Sonneneinstrahlung wird die gewonnene Wärmeenergie wie bei herkömmlichen thermischen Solaranlagen zur Erwärmung des Pufferspeichers (PSSF) genutzt. Durch große Leistungsreserven ist ein schnelles Aufheizen des Gebäudes gewährleistet. Die Trinkwassererwärmung erfolgt nach dem hygienisch vorteilhaften Durchlaufprinzip. Die Be- und Entladung des Speichers erfolgt geschichtet, eine Minimierung der Wärmeverluste wird durch eine extra starke Wärmedämmung erreicht.

Zweijähriger Feldtest

Vor dem Start der Serienfertigung des Therma exklusiv-Systems wurde das Komplett-Heizsystem unter realen Bedingungen in Feldtestanlagen erprobt und optimiert. Innerhalb von zwei Jahren konnten dazu neun Feldtestanlagen in verschiedenen Haustypen (auch Altbau) und Regionen installiert, messtechnisch erfasst und ausgewertet werden. Durch ein vor Ort installiertes Notebook, das die Funktion eines intelligenten Datenloggers übernimmt, wurden alle relevanten Messdaten direkt an den Feldtestanlagen aufgezeichnet und via Internet zur Auswertung übertragen. Es wurden sämtliche Energieverbräuche, System- und Medientemperaturen und meteorologische Daten wie solare Einstrahlung und Außentemperatur aufgezeichnet.

Mit den gewonnenen Ergebnissen der Feldtestanlagen wurden die angewandten Berechnungs- und Simulationsverfahren während der Entwicklungsphase mit den Ergebnissen im Feld verglichen. Die teilnehmenden Objekte hatten folgende Voraussetzungen zu erfüllen:

Gebäude in Niedrigenergiebauweise (auch sanierter Altbau)
Jahres-Heizwärmebedarf durfte 13000 kWh nicht überschreiten; in Kombination mit einem wasserführenden Pellets- oder Stückholzofen (Pellio aqua, Lenio) war eine Erhöhung auf 18000 kWh möglich
eine maximale zulässige Heizlast von 8 kW
Niedertemperatur- Flächenheizsystem
genügend Platz für 22 bis 28 m<sup>2</sup> Kollektorfläche (Fassade, Dach oder Garten)
60° Mindestneigung der Kollektoren
Stellfläche für Energiezentrum und Pufferspeicher von 1,2 × 3 m
Zugänglichkeit der Anlage durch Fachpersonal für Service, Wartung und Update

Ergebnisse einer Anlage

Die im Raum Frankfurt am Main vorgestellte Anlage besitzt zusätzlich zum beschriebenen Therma exklusiv-System einen Biomasse-Kaminofen, der parallel zur Solaranlage an den Kombi-Pufferspeicher angeschlossen ist. Aus dem Kombi-Pufferspeicher erfolgt über ein Durchflusssystem direkt die Versorgung mit Trinkwarmwasser, die Fußbodenheizung des Wohnhauses mit einer Systemauslegungstemperatur von 35/25 °C ist mit einer hydraulischen Weiche an Wärmepumpe und Kombispeicher angeschlossen. Das Objekt ist ein Neubau mit etwa 300 m² beheizter Wohnfläche. Die Feldtestanlage ist mit neun Hybridkollektoren bestückt, die einer Vorversion angehören. Mittlerweile wurde eine verbesserte Version für die Serienproduktion entwickelt und getestet.

Insgesamt wurde der Betrieb der Anlage über einen Zeitraum von zehn Monaten (März bis Dezember 2008) überwacht und ausgewertet. Das Diagramm (Bild 4) visualisiert von dieser Periode die aufgenommenen Tagesmittelwerte der Feldtestanlage über vier Monate (September bis Dezember 2008). Der solare Ertrag zur Beladung des Kombi-Pufferspeichers wird als roter Balken und der des Eis-Latentwärmespeichers als dunkelblauer Balken dargestellt. Der Ertrag aus der Umweltwärme zur Beladung des Eis-Latentwärmespeichers ist grün eingefärbt. Der Aufwand an elektrischer Energie durch die Wärmepumpe ist gelb abgebildet. Die schwarze Linie zeigt das Tagesmittel der Außentemperatur an.

Im Diagramm ist deutlich zu erkennen, dass bis in den November die Kollektoren ausreichende Solarerträge erzielen, um den Kombi-Pufferspeicher zu beladen. Bei zu geringer solarer Strahlung für die Beladung des Kombi-Pufferspeichers wird der Eis-Latentwärmespeicher mit solaren Erträgen geringeren Temperaturniveaus beladen. Wenn die Solarstrahlung zur Beladung des Eis-Latentwärmespeichers nicht ausreicht, wird die Energie der Umgebungsluft genutzt. Die gewonnene Energie wird durch den Solarkreis zum Eis-Latentwärmespeicher geleitet und die Wärmequelle der Wärmepumpe somit wieder aufgeladen. Dieser Prozess fand bei der Testanlage, wie im Diagramm ersichtlich, erst ab Oktober statt.

Auffällig ist, dass ab Mitte Dezember, bei sehr niedrigen Außentemperaturen, sehr hohe solare Erträge für den Eis-Latentwärmespeicher und auch zur direkten Beladung des Kombi-Pufferspeichers eingebracht werden konnten. Hier konnte der meteorologische Effekt genutzt werden, dass an sehr kalten Wintertagen eine stabile Hochdruckwetterlage mit ausreichend Sonnenschein herrscht. Im Umkehrschluss ist die Außentemperatur bei einer Tiefdruckwetterlage mit Bewölkung höher und damit auch aus der Umgebungsluft nutzbare Energie. Durch die doppelte Verwendung der Hybridkollektoren ist es dem System möglich, auch mit niedrigen Solarkreistemperaturen höchst effizient zu arbeiten.

Der Bedarf (gemessene Verbrauch) an Wärmeenergie für Trinkwassererwärmung und Heizung betrug während des gesamten Auswertungszeitraums von zehn Monaten rund 6700 kWh. Demgegenüber steht der Einsatz an elektrischer Energie für Pumpen, Lüfter und die Wärmepumpe von weniger als 1200 kWh. Die Energieeinsparung betrug im Vergleich mit einem konventionellen Wärmeerzeuger (Heizkessel mit Wirkungsgrad von 0,85) circa 5800 kWh. Die Anlage erreichte im Feldtest im angegebenen Zeitraum (ohne Biomasseofen) eine Systemarbeitszahl von 5,2.

Fördermöglichkeiten durch das MAP

Die Förderhöhe von Wärmepumpen und thermischen Solaranlagen über das Marktanreizprogramm (MAP) richtet sich nach dem Stand der Gebäudedämmung, der beheizten Nutzfläche und der installierten Kollektorfläche sowie dem technologischen Stand der Komponenten. Die Basisförderung einer Solaranlage mit Heizungsunterstützung beträgt 105 Euro/m² und kann bei einem besonders guten Wärmeschutz des Gebäudes durch den zweistufigen Effizienzbonus¹⁾ auf 157,5 Euro/m² für Stufe 1 und auf 210 Euro für Stufe 2 erhöht werden.

Alternativ zum Effizienzbonus kann auch ein Kombinationsbonus für die gleichzeitige Nutzung von Solarwärme und Wärmepumpe in Höhe von 750 Euro beantragt werden, der aber nicht mit dem Effizienzbonus kombinierbar ist. Zusätzlich gibt es noch eine Förderung der hocheffizienten Solarpumpe von 50 Euro.

Die Förderung der Wärmepumpe im Therma-exklusiv-System erfolgt als Luft/Wasser-Wärmepumpe, da die Energie zeitweise aus der Außenluft gewonnen wird. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen beträgt die Basisförderung im Neubau 5 Euro/m² beheizter Wohnfläche, maximal jedoch 850 Euro pro Wohneinheit beziehungsweise 8 % der Investitionskosten, Voraussetzung ist, dass die Wärmepumpe eine Jahresarbeitszahl von mindestens 3,5 erreicht. Im Altbau beträgt die Höhe der Basisförderung bei einer Jahresarbeitszahl von mindestens 3,3 hingegen 10 Euro/m² beheizter Wohnfläche, maximal aber 1500 Euro pro Wohneinheit oder 10 % der Investitionskosten. Wichtig: Die Berechnung der Jahresarbeitszahl muss individuell erfolgen.

Die Argumente sprechen für sich

Mit Therma exklusiv gibt es erstmalig ein Gesamtkonzept zur nahezu ganzheitlichen regenerativen Energieversorgung eines Hauses. Die Vorteile liegen neben Umweltschutz und einfacher Installation der Komponenten vor allem in der langfristigen Kosteneinsparung: Investitionskosten für Gasanschluss, Heizöltank oder Pelletsilo und Schornstein entfallen. Auch die jährliche Messung durch den Schornsteinfeger entfällt – was die Betriebskosten senkt. Des Weiteren entfallen kostenintensive Erschließungsarbeiten, die bei herkömmlichen Sole/Wasser-Wärmepumpen in Form von vertikalen Erdwärmesonden oder horizontalen Erdwärmeübertragern erforderlich sind.

Durch die intelligente Kombination von bereits bekannter Technik, wie Sole/Wasser-Wärmepumpe und Kombi-Pufferspeicher mit dem neuartigen Eis-Latentspeicher und dem Hybridkollektor stellt Therma exklusiv eine hocheffiziente Lösung zur Beheizung und Warmwasserbereitung in Ein- und Zweifamilienhäusern sowohl im Neubau wie auch im Modernisierungsfall dar. Mit nur noch 15 % „zu bezahlender Energie“ kommt das System dem Wunsch nach 100%iger regenerativer Energieversorgung schon sehr nahe. Damit drängt sich das System für den energie- und umweltbewussten Kunden geradezu auf.

Die Montagemöglichkeiten der Hybridkollektoren – ob auf dem Dach, in der Hausfassade oder eine Aufständerung im Garten – ermöglichen eine optisch gelungene Integration. Das solare Wärmepumpensystem eignet sich vor allem für den Einbau in Neubauten, da so die Kollektoren mit einem Neigungswinkel von 60° bis 90° ideal bei der Gestaltung des Gebäudes berücksichtigt werden können. Wenn Bauherren, Planer und Architekten sich bei der Realisierung geplanter Vorhaben frühzeitig besprechen, steht einer erfolgreichen Realisierung nichts im Wege.

¹⁾ Der Transmissionswärmebedarf nach EnEV wird in Stufe 1: bei Gebäuden mit Baugenehmigung vor 1995 nicht überschritten und bei Gebäuden mit Baugenehmigung nach 1994 um mind. 30 % unterschritten oder in Stufe 2: bei Gebäuden mit Baugenehmigung vor 1995 um mind. 30 % unterschritten, bzw. bei Gebäuden mit Baugenehmigung nach 1994 um mind. 45 % unterschritten.